COMPOSITION DU PLASMA

La composition chimique d’un plasma varie en fonction du gaz utilisé, de sa température et de la pression. Nous allons observer et discuter de l’évolution de la composition suivant la pression, la proportion de SF6/C2F4 et la température.

Les calculs de composition des espèces du plasma s’appuient sur la loi d’action de masse à l’ETL (Godin & Trépanier, 2004). L’équipe AEPPT a développé des codes de calcul permettant d’obtenir la composition de plasmas à l’équilibre en phase gazeuse. Une banque de données a été réalisée pour des proportions massiques de SF₆-C₂F₄ tous les 10%, une gamme de température allant de 300 à 50 000 K et une gamme de pression allant de 1 à 100 bar. Pour tenir compte des pressions élevées, la loi d’état qui est utilisée est la loi des gaz parfaits corrigée des effets du viriel et incluant la correction de Debye-Hückel. Les figures 3 et 4 présentent pour des conditions de 1 et 100 bar, des températures de 300 à 20 000 K, et une proportion massique de 40 % SF6 – 60 % C2F4, la densité des espèces constituant le plasma. Pour faciliter la lecture de ces figures, nous avons fait le choix arbitraire de ne représenter qu’une partie des espèces. Seules les espèces dont la densité maximale dépasse les 1022 _m-3 _{pour 1 bar et 10}24 _m-3 _{pour 100 bar sont représentées.}

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Figure 3 : Densité des espèces pour un plasma de 40 % SF6 – 60 % C2F4 à la pression de 1 bar et des températures de 300 à 20 000 K. Les espèces de densité maximale inférieure à 1022 _m-3 _{ne sont pas représentées.}

Figure 4 : Densité des espèces pour un plasma de 40 % SF6 – 60 % C2F4 à la pression de 100 bar et des températures de 300 à 20 000 K. Les espèces de densité maximale inférieure à 1024 _m-3 _{ne sont pas représentées.}

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Nous constatons dans ce mélange qu’à 300 K, le CF4, le CS2 et le C2F6 sont les espèces majoritaires. Sous l’effet de l’augmentation de la température, l’équilibre chimique se déplace et donne lieu à l’apparition de nouvelles espèces moléculaires. Vers 4000 K, le fluor atomique devient l’espèce la plus présente dans le plasma. A partir de 8000 K les molécules peuvent être considérées comme en proportion négligeable en comparaison aux atomes.

En comparant les densités des espèces à 1 et 100 bar, nous constatons que les espèces présentes sont les mêmes et que la variation de leur densité en fonction de la température est similaire dans les deux cas. Avec l’augmentation de la pression, nous observons un décalage de la dissociation des espèces d’environ 500 à 1000 K vers les hautes températures.

Dans la section II.2.2 nous verrons que les sections efficaces du continuum moléculaire, qui représentent l’absorption du rayonnement pour une seule molécule, ont des amplitudes du même ordre. En considérant que l’absorption du continuum d’une molécule est le produit de sa section efficace par sa densité, nous pouvons juger de l’importance relative de la contribution des molécules en comparant directement leur densité.

En analysant le résultat des calculs de composition en fonction de la pression, de la température et de la proportion de SF6/C2F4, nous retenons les espèces moléculaires en quantité non négligeable : C₂F₆, C₂F₄, CF₄, CF₃, CF₂, C₂, C₃, C₄, C₅, CS, CS₂, F₂, S₂, SF₆, SF₅, SF₄, SF₃, SF₂, SF, S2F2, S2F10.

II.2.1 CAS PARTICULIER DES MOLECULES C3, C4, C5 

Comme précisé précédemment, le calcul des densités d’espèce ne tient pas compte des changements de phases. En regardant le diagramme de phase du carbone figure 5 qui est une combinaison des résultats de (Steinbeck, et al., 1985) (Bundy, 1989) effectué par (Zalula, 1997), nous constatons que, pour une pression partielle de ces molécules d’environ 5 bar (~ 5.10-4 _GPa) et des températures inférieures à 4000 K, le carbone se trouve à l’état solide sous forme de graphite. Pour des conditions de pression de 100 bar et à basse température, la majorité des molécules C3, C4 et C5 doivent par conséquent se trouver sous forme de graphite. D’autre part, l’analyse après utilisation de l’état des chambres de coupures de DHT n’a montré aucune trace de forme de carbone à l’état solide sous forme de suie ou d’un dépôt de graphite. Par conséquent, nous ne considérerons pas ces molécules dans la suite de cette étude.

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Figure 5 : Diagramme de phase pression-température du carbone (Zalula, 1997)

II.2.2 CAS PARTICULIER DE LA MOLECULE S2F10 

Le calcul est effectué en faisant l’hypothèse que l’équilibre chimique est atteint. La durée de la décharge n’est cependant pas nécessairement aussi longue qu’il le faudrait pour vérifier cette hypothèse. D’autre part en comparant les énergies de première dissociation indiquées dans le Tableau 1, nous remarquons que la molécule S₂F₁₀ est peu stable en comparaison aux SF₆ et SF₄.

Tableau 1 : Energies mises en jeu pour trois réactions de première dissociation

Réaction Energie (eV)

S2F10 + hν → SF4 + SF6 0,802

SF₄ + hν → SF₃ + F 3,474

SF6 + hν → SF5 + F 3,995

La littérature ne présente pas d’études cinétiques qui nous permettent de vérifier si la molécule S2F10 est présente, tant par des observations que par des constantes de temps de réaction. Compte tenu de la forte densité de cette molécule à basse température, 100 bar et un mélange contenant 80% de SF6, nous la considérerons au cours de cette étude.

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Nous allons donc considérer les molécules C2F6, C2F4, CF4, CF3, CF2, C2, CS, CS2, F2, S2, SF6, SF5, SF₄, SF₃, SF₂, SF, S₂F₂, S₂F₁₀ pour la description du continuum moléculaire d’absorption. Nous considèrerons pour la contribution atomique les espèces C, C+_{, C}2+_{, C}3+_{, C}4+_{, S, S}+_{, S}2+_{, S}3+_{, S}4+_, S5+_,F-_{, F, F}+_{, F}2+_{, F}3+ _{et F}4+_.

Cette première étape nous a permis de sélectionner les espèces qui nous intéressent pour la contribution aux propriétés radiatives, notamment dans le cas des molécules. Nous allons présenter la méthode de calcul utilisée pour la description des spectres d’absorption.